KR101792594B1 - 사파이어 글래스 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 사파이어 글래스 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 사파이어 단결정 웨이퍼에 SiON 박막을 증착하는 단계; 및 상기 SiON 박막이 증착된 사파이어 단결정 웨이퍼를 열처리하여 SiON 박막 에 다수의 미세 공극(void)이 형성된 사파이어 글래스를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 사파이어 글래스 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 사파이어 단결정 웨이퍼에 증착된 SiON 박막을 열처리하여 가시광 대역에서 고투과율을 가지고 열에도 안정되고 경도를 우수한 사파이어 글래스 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 사파이어 단결정은 알루미늄과(Al)과 산소(O)가 결합한 형태의 화합물인 알루미나(Al2O3)가 2050℃ 이상의 온도에서 용융 후 응고되는 과정에서 HCP 계통(Hexagonal system)의 결정구조를 가지고, 한 방향으로 응고된 물질이다.
사파이어 단결정은 다이아몬드 다음의 경도를 지닌 소재로서, 내마모성, 내식성이 쿼츠와 비교해 약 10배 높고 절연특성, 빛 투과성이 우수하여 합성보석, 시계, 유리뿐만 아니라 IT용, 산업용, 군사용, LED용 기판등과 같은 첨단소재 분야에도 광범위하게 사용되고 있다. 특히, IT기기의 터치 글라스용 소재로 각광받고 있으며, 군사용 적외선 탐지 미사일 및 전투기, 탐색기 등의 윈도우(window)용 소재로 사용되고 있다.
터치패널의 기판소재로는 사용되고 있는 글라스는 소다 석회(soda lime)를 기초로 Na이온의 교환 및 강화 열처리로 투과율과 강도를 향상시킨 코닝(Corning)사의 고릴라 글라스이다. 그러나 표면 경도가 낮고 내충격성이 낮아서 유리 표면에 많은 흠(scratches)이 발생하여 제품의 품질저하 및 신뢰성에 문제점들이 있다.
한국 등록특허공보 제10-1537537호에는 사파이어 기판을 글래스로 사용한 디지털 기기용 패널이 개시되어 있다.
이 등록특허는 글래스로 사파이어 기판을 사용한 것만 개시되어 있으므로, 낮은 투과율에 의해 글래스 특성이 저하되는 단점이 있다.
그러므로, 기존의 문제점을 해결하기 위한 고투과율을 가지는 글래스에 대한 연구 및 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 가시광 대역에서 고투과율을 가지는 사파이어 글래스 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 경도가 우수한 사파이어 글래스 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.
상술된 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 글래스는, 사파이어 단결정 웨이퍼; 및 상기 사파이어 단결정 웨이퍼에 증착되어 형성되고 열처리된 SiON(Silicon-oxy-nitride) 박막;을 포함하며, 상기 SiON 박막은 열처리되어 상기 SiON 박막의 일부 또는 전부가 SiOx으로 변화되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 글래스에서, 상기 열처리된 SiON 박막에 평균 80nm 크기의 다수의 공극이 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 글래스에서, 상기 열처리된 SiON 박막의 두께는 50 ~ 200nm일 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 사파이어 글래스의 제조방법은, 사파이어 단결정 웨이퍼에 SiON 박막을 증착하는 단계; 및
상기 SiON 박막이 증착된 사파이어 단결정 웨이퍼를 열처리하여 SiON 박막 에 다수의 미세 공극(void)이 형성된 사파이어 글래스를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 글래스의 제조방법에서, 상기 열처리 온도는 600 ~ 1200 ℃, 5분 ~ 10시간일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 글래스의 제조방법에서, 상기 열처리로, 상기 SiON 박막의 일부 또는 전부가 SiOx으로 변화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 사파이어 글래스의 제조방법에서, 상기 다수의 공극의 크기는 평균 80nm일 수 있다.
본 발명에 의하면, 사파이어 단결정 웨이퍼에 증착된 SiON 박막을 열처리하여 SiON 박막의 일부 또는 전부를 SiOx로 변화시켜 가시광 대역에서 고투과율을 가지는 글래스를 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다른 목적은 사파이어 단결정 웨이퍼를 이용하여 글래스를 제작함으로써, 열에도 안정되고 경도를 우수하게 할 수 있는 잇점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 사파이어 글래스를 제조하는 방법의 흐름도,
도 2는 본 발명에 따라 사파이어 단결정 웨이퍼에 SiON 박막이 형성된 상태의 단면도,
도 3은 본 발명에 따라 제조가 완료된 사파이어 글래스의 단면도,
도 4는 본 발명의 사파이어 글래스와 일반 글래스의 광파장에 따른 투과율을 측정한 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 사파이어 단결정 웨이퍼에 증착된 SiON 박막이 열처리된 상태를 촬영한 샘(SAM) 사진이다.
도 2는 본 발명에 따라 사파이어 단결정 웨이퍼에 SiON 박막이 형성된 상태의 단면도,
도 3은 본 발명에 따라 제조가 완료된 사파이어 글래스의 단면도,
도 4는 본 발명의 사파이어 글래스와 일반 글래스의 광파장에 따른 투과율을 측정한 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 사파이어 단결정 웨이퍼에 증착된 SiON 박막이 열처리된 상태를 촬영한 샘(SAM) 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 사파이어 글래스를 제조하는 방법의 흐름도이고, 도 2는 본 발명에 따라 사파이어 단결정 웨이퍼에 SiON 박막이 형성된 상태의 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따라 제조가 완료된 사파이어 글래스의 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 사파이어 글래스 제조방법은 먼저 사파이어 단결정 웨이퍼에 SiON(Silicon-oxy-nitride) 박막을 스퍼터링법으로 증착한다(S100).
상기 S100 공정에서, 사파이어 단결정 웨이퍼는 탈지 및 질소 블로잉으로 세척하고, 세척된 사파이어 단결정 웨이퍼에 SiON 박막을 스퍼터링법으로 증착한다.
여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, SiON 박막(110)은 나노 단위의 초박막 두께(t1)로 형성된다. 본 발명에서는 SiON 박막(110)의 두께(t1)가 수십 ~ 수백nm인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 SiON 박막(110)의 두께는 50 ~ 200nm이다.
실리콘을 스퍼터링 타겟으로 설정하고, 초기진공도를 10-6torr, 작업 압력(working pressure)을 0.1Pa, 스퍼터링 파워를 200watt로 하는 공정 조건으로 사파이어 단결정 웨이퍼에 SiON 박막을 증착할 수 있다.
이때, 사파이어 단결정 웨이퍼 온도는 500℃ 미만으로 제한한다. 사파이어 단결정 웨이퍼의 온도가 500℃ 이상인 경우, 질소의 불안정성 때문에 표면 조도가 우수한 SiON 박막 형성이 어렵다. 이 SiON 박막은 비정질상 또는 결정질상을 포함할 수 있다.
그후, SiON 박막이 증착된 사파이어 단결정 웨이퍼를 열처리하여 SiON 박막 에 다수의 미세 공극(void)이 형성된 사파이어 글래스를 제조한다(S110).
SiON 박막이 증착된 사파이어 단결정 웨이퍼의 열처리 온도는 600 ~ 1200 ℃, 5분 ~ 10시간이 바람직하다. 열처리 분위기는 대기중, 산소, 진공도 가능하다.
도 2와 같이 사파이어 단결정 웨이퍼(100)에 증착된 SiON 박막(110)이 열처리된 후에 도 3과 같이 SiON 박막(110)의 적어도 일부 영역에서는 SiON이 SiOx로 변화한다.
즉, 열처리 중에 SiON 박막(110)의 SiON이 SiOx로 변화하는 과정에서 질소는 대부분 SiON 박막(110)의 표면으로 이동하여 탈리된다.
이러한 변화과정에서 SiON 박막(110)에서는 Si-O, Si-N 결합이 상실되고 대신 Si-O-Si 결합이 생성됨으로써, SiON 박막(110) 내부에는 많은 결함이 생성되며, 이들은 미세한 공극(void)들로 생성된다.
SiON 박막(110)을 1000℃, 1시간의 열처리 후 박막에서 질소는 검출되지 않았다. 즉, Si-N 결합은 발견되지 않았다.
SiON 박막에 질소가 과잉으로 존재할수록 열처리 후에 더 많은 미세한 공극을 박막 내부에 형성시킬 수 있다고 유추할 수 있다.
표 1은 열처리 온도 및 시간에 따른 SiON 박막의 투과율 및 결정상을 측정한 것이다.
| 열처리 온도(℃) | 열처리 시간(min) | 투과율(%, 550㎚) | 결정상 |
| 600 | 60 | 88 | SiON + SiOx |
| 600 | 300 | 88 | SiON + SiOx |
| 600 | 600 | 90 | SiON + SiOx |
| 900 | 60 | 88 | SiON + SiOx |
| 900 | 120 | 91 | SiOx |
| 900 | 600 | 92 | SiOx |
| 1000 | 60 | 92 | SiOx |
| 1000 | 300 | 92 | SiOx |
| 1000 | 600 | 92 | SiOx |
| 1100 | 60 | 91 | SiOx |
| 1100 | 120 | 92 | SiOx |
즉, 표 1은 사파이어 단결정 웨이퍼에 100nm 두께의 SiON 박막을 스퍼터링법으로 증착한 후 열처리 온도 및 시간에 따라 열처리하여 SiON 박막의 투과율 및 결정상을 측정한 것이다.
이 측정에서, 600℃에서는 SiON과 SiOx이 혼재된 결정상을 나타내었고, 900℃ 이상에서는 SiON 박막에서 SiON이 SiOx으로 완전히 변화된 결정상을 나타내었다.
그리고, 600℃, 900℃, 1000℃, 1100℃의 각 열처리 온도에서 열처리 시간을 증가시킬수록 투과율이 증가되었다.
결과적으로, 사파이어 단결정 웨이퍼에 증착된 SiON 박막을 600 ~ 1200℃의 온도에서 60분 ~ 10시간 동안 열처리하면, SiON 박막에서 SiON이 SiOx이 변화된 결정상이 형성되어 550nm 가시광 대역에서 88% 이상의 고투과율을 가지는 사파이어 글래스를 제조할 수 있음을 알 수 있었다.
도 4는 본 발명의 사파이어 글래스와 일반 글래스의 광파장에 따른 투과율을 측정한 그래프이다.
도 4를 참고하면, 100nm의 두께로 SiON 박막이 증착된 사파이어 단결정 웨이퍼를 열처리하여 제조한 본 발명의 사파이어 글래스(A그래프)는 550nm 가시광 대역에서 투과율이 91% 정도로 92%의 투과율을 가지는 일반 글래스(B그래프)와 거의 동일한 투과율을 갖는 것으로 확인되었다.
그러므로, 본 발명은 가시광 대역에서 고투과율을 가지는 사파이어 글래스를 구현할 수 있는 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 사파이어 단결정 웨이퍼에 증착된 SiON 박막이 열처리된 상태를 촬영한 주사전자현미경(SEM) 사진으로서, SiON 박막을 열처리하면 SiON 박막에서 Si-O, Si-N 결합이 상실되고 Si-O-Si 결합이 생성된다. 이때, SiON 박막 내부에 생성된 결함에 의하여 미세한 공극이 생성된다.
도 5와 같이, 이 미세한 공극(K)이 열처리된 SiON 박막(111)에 생성되어 있으며, 이 공극(K)은 평균 80nm의 크기로 열처리된 SiON 박막(111)에 분포되고 있음이 확인되었다.
상술된 바와 같이, 본 발명은 기존의 소다 석회(soda lime) 기반의 터치구조를 사파이어로 대체하는 과정에서 발생하는 투명성의 저하 문제를 극복하기 위하여 발명된 것으로, 사파이어 단결정 웨이퍼에 SiON 박막을 증착하고 고온에서 열처리하여 SiON 박막 구조의 일부 또는 전부가 SiOx으로 변화시켜 사파이어의 굴절률과 거의 유사하고, 동시에 박막 내부에 많은 미세 공극을 형성시켜 사파이어의 낮은 투과율을 향상시킬 수 있는 것이다.
이러한 미세 공극은 SiON 박막의 열처리로 SiON이 변화되어 생성된 SiOx 물질과의 계면에서 빛을 반사시키고, 이로 인해 빛의 위상차가 발생하여 반사율을 감소시켜 사파이어 글래스의 유효투과율을 향상시키는 효과가 나타나게 된다.
이러한 투과율의 개선은 기존의 소다 석회 계열의 상용화된 글라스의 투과율 91 ~ 92%과 거의 대등한 수준으로 평가된다. 또한 기존의 글라스는 열처리 강화된 것으로 증착법 등 부가적인 기술로 특성을 개선하기 어려웠으나, 사파이어 글라스는 열에도 안정하고 경도가 높아서 박막증착 등의 기술 적용에 문제가 없다고 판단되고 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 사파이어 단결정 웨이퍼에 증착된 SiON 박막을 열처리하여 가시광 대역에서 고투과율을 가지고 열에도 안정되고 경도를 우수한 사파이어 글래스에 적용된다.
100: 사파이어 단결정 웨이퍼 110: SiON 박막
111 : 열처리된 SiON 박막
111 : 열처리된 SiON 박막
Claims (7)
- 사파이어 단결정 웨이퍼; 및
상기 사파이어 단결정 웨이퍼 상에 형성된 SiOx 결정상을 포함하는 박막을 포함하며,
상기 SiOx 결정상은, 상기 사파이어 단결정 웨이퍼에 증착되어 형성되는 SiON(Silicon-oxy-nitride) 박막의 열처리에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 사파이어 글래스. - 제1항에 있어서, 상기 SiOx 결정상을 포함하는 박막에는 평균 80nm 크기의 다수의 미세 공극이 형성된 것을 특징으로 하는 사파이어 글래스.
- 제1항에 있어서, 상기 SiOx 결정상을 포함하는 박막의 두께는 50 ~ 200nm인 것을 특징으로 하는 사파이어 글래스.
- 사파이어 단결정 웨이퍼에 SiON 박막을 증착하는 단계; 및
상기 SiON 박막이 증착된 사파이어 단결정 웨이퍼를 열처리하여, 상기 SiON 박막을 다수의 미세 공극(void)을 가지며 SiOx 결정상을 포함하는 박막으로 변환하는 단계;를 포함하는 사파이어 글래스의 제조 방법. - 제4항에 있어서, 상기 열처리 온도는 600 ~ 1200 ℃, 5분 ~ 10시간인 것을 특징으로 하는 사파이어 글래스의 제조 방법.
- 삭제
- 제4항에 있어서, 상기 다수의 미세 공극의 크기는 평균 80nm인 것을 특징으로 하는 사파이어 글래스의 제조 방법.
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| JP3326371B2 (ja) * | 1996-10-21 | 2002-09-24 | 東芝電子エンジニアリング株式会社 | 化合物半導体装置の製造方法 |
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